罐区防火堤内非常规设计对火灾后果的影响及对策*

马端祝 石一丁 张足峰 王学岐

（1.中国石油安全环保技术研究院有限公司；2.英国劳氏船级社）

在石油化工行业，由于罐区设计、建造的时间不同，以及考虑后期因运行和维护而需进行改造，罐区现场会出现一些非常规设计。进行非常规设计的变更影响分析是规避安全风险的一项重要工作。火灾是罐区主要危害之一，对于原油罐区，由于原油的物料性质特点，池火是其最主要的火灾风险。因此，在进行变更影响分析或者处理这些非常规设计所导致的安全隐患时，需要重点考虑火灾危害的变化，特别是池火的危害变化特点。关于罐区的池火风险及后果研究，一直是石油化工行业安全领域的关注点。科研人员一直在围绕池火风险进行相关的探索，如关于池火风险的定量风险评估[1]、后果模拟[2]、安全距离研究[3]、风险防控[4]及应急救援[5]等。

1 模型及火灾场景描述

国内某原油罐区设有4座50 000 m3原油储罐，单罐直径为60 m，高19.35 m，在每座储罐的进口及出口管道下方增设了便于检维修的管沟。管沟从储罐向防火堤延伸，面积约50 m2。根据罐区现场平面布局创建罐区模型，根据管沟情况，做适当简化，一并建立在模型中。模拟所用模型见图1。图中圆圈为管沟，管沟深约1 m。另外，还建立了不含管沟的罐区模型。

由于影响火灾后果的因素较多，包括压力、泄漏孔径、风向、风速、障碍物等，因此，火灾场景会由于各因素的组合而出现数量众多的可能性。在本文中，将主要考虑管沟存在对池火后果的影响，以对比管沟是否存在时的火灾后果差异。在进行池火模拟时，需要定义泄漏孔径作为输入条件。在火灾风险中，小型泄漏和中型泄漏所导致的池火发生概率最高，但中型泄漏导致的池火影响范围相对较大，更具有代表性。因此，根据GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》中的泄漏孔径的推荐值[6]，选择中型泄漏的代表孔径25 mm作为计算输入。

图1 罐区三维几何模型

泄漏是导致池火发生的初始事件，在石化领域，阀门、法兰、泵等是导致泄漏的主要泄漏源。在泄漏量较大情况下，液体在重力作用下会沿地面流淌，特别是罐区防火堤内通常设有坡度，泄漏出的可燃油品会向防火堤方向流淌。而对于增设管沟的情况，管沟位于这些泄漏源下方，泄漏发生后，泄漏出的原油更可能会集聚在管沟内，且管沟具有一定深度，液池无法向四周蔓延，在管沟内形成液池或池火的可能性较高。

如果没有管沟，则对于持续性的早期池火，池火面积会逐渐变大，直到单位时间内所消耗的燃料与泄漏速率达到平衡，因此，池火面积可由下式[7]求得：

式中：D为液池面积，m2；Q为泄漏速率，kg/s；b为燃烧速率，kg/m2s。

根据相关文献，采用0.05 kg/m2的单位面积原油燃烧速率[7]。

无管沟情况下计算得到的液池面积见表1，模拟中将采用1个风向及3个风速。

表1 池火模拟场景

有管沟情况下，如果泄漏速率较大，则管沟面积为液池面积，因此液池面积为50 m2。

三月二十一日，救援伊犁时所调之十苏木500名厄鲁特、察哈尔蒙古步队到城。[注]《钦定平定陕甘新疆回匪方略》卷110，同治四年七月丁卯条。该官兵到城后，向参赞大臣武隆额建议，将他们派到城南平庆庙，请求那里主持寺庙的喇嘛棍噶扎勒参率领僧徒和十苏木蒙古兵防守塔尔巴哈台城和蒙古游牧地。

模拟将采用三维CFD软件KFX，KFX是用于模拟气体扩散和火灾的三维瞬态模拟软件，由挪威科技大学、SINTEF和ComputIT公司联合开发[8]。利用KFX可以进行封闭或开放空间的重质和轻质气体的扩散及烃类物质的池火、喷射火和喷雾火的模拟，还可以计算水喷淋对火灾后果的影响。该软件已经通过大量不同类型和尺度实验结果的验证[9]以及工业领域的广泛实践。国内也有研究人员对KFX的模拟结果进行了实验对比验证，证明其结果的可靠性[10]。目前，KFX已经得到世界范围内众多石油天然气公司、工程公司、咨询公司和科研机构的认可，广泛用于陆上及海上石油化工装置及工程设施的风险评估及设计工作。

2 破坏准则

相关文献[7]中钢板、钢梁、工艺管道、容器在火灾中失效的时间见表2。在分析池火影响时，除了要考虑辐射热外，还需考虑对流传热的贡献。对流传热的热通量与液池面积相关，液池直径大于5 m时，通常假设对流热通量为20 kW/m2[11]。火灾中人员伤害及主要安全功能单元破坏准则如表3[12]所示。

表2 工艺设备和结构在火灾中失效的时间

表3 人员暴露和主要安全功能单元失效准则

3 结果与讨论

3.1 池火模拟结果

有管沟情况下，池火热辐射通量在地面以上1 m处水平面的分布见图2，在地面以上5 m处水平面的分布见图3，池火三维效果见图4。模拟结果表明，池火热辐射影响范围主要受液池面积和位置的影响，同时受风速的影响，且不同热辐射通量的影响范围受风速影响的变化趋势有所区别。由于储罐直径较大，在远离液池所在位置及背向池火一面，储罐不受火灾热辐射影响。

图2 有管沟情况下地面上方1 m处池火热辐射分布

图3 有管沟情况下地面上方5 m处池火热辐射分布

图4 有管沟情况下池火三维效果照

无管沟情况下，池火热辐射通量在地面以上1 m处水平面的分布见图5，在地面以上5 m处水平面的分布见图6，池火三维效果见图7。模拟结果表明，池火热辐射影响范围受风速的影响较大，且不同热辐射通量的影响范围受风速影响的变化趋势有所区别。低热辐射通量（＜6 k W/m2）影响范围会随着风速的增大而减小。

图5 无管沟情况下地面上方1 m处池火热辐射分布

图6 无管沟情况下地面上方5 m处池火热辐射分布

图7 无管沟情况下池火三维效果照

各池火场景热辐射通量的最大影响距离见表4。

表4 热辐射影响距离

3.2 管沟对池火影响分析

导致两种池火情景的热辐射影响范围差异的主要原因是液池面积的不同。液池面积大，则热辐射影响面积也相应增大。但由于管沟的存在，一方面缩小了液池的面积，另一方面使液池的位置发生变化，进而改变了池火影响区域。现场实际情况是管道与阀门均位于管沟内，因此这些设备更容易受到高辐射热的影响，所受到的热辐射通量可以达到200 kW/m2以上，原油储罐罐壁所受到的热辐射通量可以达到50～100 kW/m2。在这样的情况下，如果现场没有诸如水喷淋等主动消防设施启用，则以上设备会在短时间内失效或受损，进而导致事故升级。而如果没有管沟，原油在重力作用下可能流淌至防火堤边缘，虽然热辐射影响范围增大，但其发生位置发生了变化，对某些设备如罐根阀及罐壁的影响可能降低。在该研究中，无管沟情况下，储罐罐壁所受到的热辐射通量小于37.5 k W/m2，导致设备失效的时间延长，进而事故升级的可能性降低，可以为应急响应争取时间。

基于以上分析，有管沟时其有利的影响包含以下两个方面：会控制液池的面积，使得池火影响范围受到限制，对周围人员的影响范围缩小；由于液体被收集，便于现场灭火及应急处置。有管沟时其不利的影响有以下两个方面：如果管沟内存在管道及阀组等设备，则易受到高热辐射影响，若未能及时处置，设备损坏及事故升级的可能性增大；如果管沟与储罐之间距离较小，则储罐易受池火的持续性影响，导致储罐受损或事故升级。

需要注意，以上分析是建立在中型泄漏基础上的。如果泄漏速率过小，则池火面积很小，那么无论管沟是否存在，都不会导致后果的明显差异；如果泄漏速率过大，即便存在管沟，则泄漏出的原油会溢出管沟，使得池火面积增大。最严重的情况下，如果原油充满整个防火堤，则无论是否有管沟，火灾后果都是相同的。但从风险的角度分析，中型泄漏发生可能性要远大于大型泄漏，在池火风险中更具有代表性。因此，中型池火后果的差异更能说明管沟存在时对火灾风险的影响。

4 结论

针对罐区防火堤内设置管沟这一特殊变更情况，采用三维CFD火灾模拟软件KFX对原油罐区池火事故进行模拟。根据人员及设备火灾伤害准则，结合火灾模拟结果，分析了是否有管沟的两种情况下池火对周围人员和设备设施的影响距离及影响范围。结果表明，管沟的存在对池火后果同时具有不利和有利两方面的影响。

根据管沟存在时的池火影响特点，对这一变更提出以下关于现场安全设计、风险管理和应急处置的对策建议，以便更好地进行现场处置，防止事故升级。

1）在管沟周围设置火焰及可燃气体探测器，能够在泄漏或火灾发生的初期及时发现，合理处置。

2）对管沟内关键设备如阀组、管道等进行被动防火保护，延长设备在火灾情况下的耐受时间。

3）在管沟周围设置固定式灭火设施，能够在发现泄漏或火灾事故后，立即进行响应，避免事故升级。

4）由于管沟内泄漏源较多，因此在储罐朝向管沟一侧，可以在设计时增强水喷淋能力，以便在火灾发生时，能够对储罐面向火灾一侧高风险部位进行有效的冷却降温。

5）一旦火灾发生，可以根据火灾模拟结果，确定灭火安全距离，保证人员安全。

6）管沟位置最好能够远离关键设备及储罐，降低火灾对邻近设备的影响。

7）管沟内可以设计一定的坡度，以便沟内液体可以向远离储罐的方向流淌，降低火灾对储罐的影响。

8）考虑对管沟内液体的处置方法，以便能够将沟内积存的原油或其他液体及时排出。

研究结果表明，对于变更中的一些关键因素，需要采用合适的方法和工具有针对性地分析变更所带来的影响。三维CFD模拟软件能够考虑复杂环境的结构特点，体现池火后果的差异，为解决非常规问题提供帮助，而这些能力是二维经验方法所不具备的。因此，在实际的变更影响分析中可以根据问题特点充分发挥三维模拟工具的作用。